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Vieweg+Teubner eBooks

Photonenstatistik

Harry Paul

Published Jan 1, 1995• 1 citation
Publisher

Abstract

Wie schon des öfteren erwähnt, äußert sich der korpuskulare Charakter des Lichts am eindrucksvollsten beim photoelektrischen Effekt. Letzterer läßt sich in Photozählern zum Registrieren einzelner Photonen ausnutzen. Die Auswertung solcher Zähldaten gewährt dann, wie wir in diesem Kapitel näher ausführen werden, genauere Einblicke in die Beschaffenheit elektromagnetischer Felder. Es wird so gewissermaßen die „Feinstruktur“ von Strahlungsfeldern — in Gestalt von Fluktuationsvorgängen — erkennbar, die der früheren, auf das Auge oder die photographische Platte angewiesenen und daher auf die Messung von zeitlichen Mittelwerten der Intensität beschränkten, Beobachtung notwendig verborgen bleiben mußten.

DOI
10.1007/978-3-322-96700-8_8

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Harry Paul

Wie schon des öfteren erwähnt, äußert sich der korpuskulare Charakter des Lichts am eindrucksvollsten beim photoelektrischen Effekt. Letzterer läßt sich in Photozählern zum Registrieren einzelner Photonen ausnutzen. Die Auswertung solcher Zähldaten gewährt dann, wie wir in diesem Kapitel näher ausführen werden, genauere Einblicke in die Beschaffenheit elektromagnetischer Felder. Es wird so gewissermaßen die „Feinstruktur“ von Strahlungsfeldern — in Gestalt von Fluktuationsvorgängen — erkennbar, die der früheren, auf das Auge oder die photographische Platte angewiesenen und daher auf die Messung von zeitlichen Mittelwerten der Intensität beschränkten, Beobachtung notwendig verborgen bleiben mußten.

Teubner-Studienbücher. Physik•Jan 1, 1995•0 citations

Photonenstatistik

Harry Paul

Wie schon des öfteren erwähnt, äußert sich der korpuskulare Charakter des Lichts am eindrucksvollsten beim fotoelektrischen Effekt. Letzterer läßt sich in Fotozählern zum Registrieren einzelner Photonen ausnutzen. Die Auswertung solcher Zähldaten gewährt dann, wie wir in diesem Kapitel näher ausführen werden, genauere Einblicke in die Beschaffenheit elektromagnetischer Felder. Es wird so gewissermaßen die „Feinstruktur“ von Strahlungsfeldern — in Gestalt von Fluktuationsvorgängen — erkennbar, die der bisherigen, auf das Auge oder die fotografische Platte angewiesenen und daher auf die Messung von zeitlichen Mittelwerten der Intensität beschränkten, Beobachtung notwendig verborgen bleiben mußten.

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Modellierung von Photonenströmen zur vergleichenden Autokorrelationsanalyse

F. R. Keßler

Nachdem Photonenströme bzw. einzelne Photonen mit hoher zeitlicher Auflösung durch Photonendetektoren quantitativ erfaßt werden können, haben Theorie und Praxis der Autokorrelationsanalyse der Strahlungssignale eine wachsende Bedeutung erhalten. Einerseits prägt sich hier das Fundamentalverständnis der „Quantenoptik“ aus, andererseits bieten sich damit spezielle Möglichkeiten einer spektral sehr hoch auflösenden „Korrelationsspektroskopie“. Überdies lassen sich aus einer experimentell erhaltenen Autokorrelationsfunktion (AKF) weitergehende Rückschlüsse auf die Qualität der Strahlungsquelle und/oder die Wechselwirkung der Photonen mit der durchstrahlten Materie ziehen. Die Arbeit befaßt sich mit der Computer-gestützten Modellierung von Photonenströmen, wobei verschiedene theoretische Ansätze zur zeitlichen Abfolge der Photonen zu symptomatisch verschiedenen Zeitfunktionen führen, die entsprechend charakteristische statistische Schwankungen enthalten. Die anhand solcher „Modell-Photoströme“ ermittelten spezifischen Typen der AKF erlauben durch Vergleich mit experimentellen Resultaten deren weitergehende qualitative und u. U. auch quantitative Interpretation. – Innerhalb dieser Thematik ist auch das „Inversenproblem“ anzusprechen, d.h. die Frage nach der Möglichkeit eines eindeutigen Rückschlusses von der AKF auf eine bestimmte Zeitfunktion bzw. Statistik des vorliegenden Photonenstromes zu erörtern. Dabei ist u. a. auch zu berücksichtigen, daß die die Autokorrelation bestimmende Zeitfunktion der Photonenabfolge und die statistische Häufigkeitsverteilung der innerhalb der Samplingzeit des Detektors erfaßten Photonenanzahl unabhängig voneinander variieren können. Nach referierenden Ausführungen zu Grundlage und Computer-gestützter Realisierung der Autokorrelationsanalyse (AKA) von Photonenströmen, sowie zur Photonenstatistik bzw. zum Photonenrauschen beim Emissionsprozess unterschiedlicher Lichtquellen bzw. nach dem Durchgang von Licht durch Materie, werden sodann im Sinne der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit eine Reihe charakteristischer Photonenströme berechnet und der AKA unterworfen. Die Modelle erfassen dabei die zeitlich-statistische Abfolge bzw. die Häufigkeitsverteilung der Einzelphotonen, das sukzessive Auftreten von Photonen-“Pulks“ bestimmter „Form“ und die Existenz eines Photonen-“Gleichstroms“ mit überlagerten statistischen Schwankungen. Bei den erhaltenen Typen der AKF finden sich exponentiell oder Gauß-förmig relaxierende, oszillatorische und gedämpft oszillierende Anteile in spezifischer Überlagerung, deren Auftreten im Einzelfall begründend diskutiert wird.

•Jan 1, 2001•0 citations

Effekte bei Ein—Elektron—Atomen

Gerd Otter, Raimund Honecker

ZusammenfassungDie Ein-Elektron-Atome sind die überschaubarsten Gebilde der Atomphysik. An ihnen lassen sich daher am einfachsten die Grundmechanismen der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kern aufzeigen. Ihre Behandlung nimmt daher im Band I Kap.5 einen entsprechend breiten Raum ein. Während dort die Entfaltung des Lehrstoffs jedoch mehr nach didaktischen Gesichtspunkten ausgearbeitet ist, lassen wir uns im vorliegenden Kapitel mehr von physikalischen Merkmalen leiten. Zunächst gehen wir in Abschn.14.1 auf die Eigenschaften des Wasserstoffatoms bzw. der wasserstoffartigen Atome und wegen der Ähnlichkeit der Beschreibung auch auf die exotischen Atome ein. Sodann widmen wir uns in Abschn.14.2 Problemen der Aussendung spontaner und induzierter Strahlung einschließlich ihrer Auswahlregeln und besprechen einige Eigenschaften der ausgesandten Strahlung. Erst in Abschn.14.3 schauen wir uns die Effekte genauer an, die beim Anlegen äußerer elektrischer und magnetischer Felder auftreten. Auch hier konzentrieren wir uns hauptsächlich auf das H-Atom als typisches Beispiel.

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Wie schon des öfteren erwähnt, äußert sich der korpuskulare Charakter des Lichts am eindrucksvollsten beim photoelektrischen Effekt. Letzterer läßt sich in Photozählern zum Registrieren einzelner Photonen ausnutzen. Die Auswertung solcher Zähldaten gewährt dann, wie wir in diesem Kapitel näher ausführen werden, genauere Einblicke in die Beschaffenheit elektromagnetischer Felder. Es wird so gewissermaßen die „Feinstruktur“ von Strahlungsfeldern — in Gestalt von Fluktuationsvorgängen — erkennbar, die der früheren, auf das Auge oder die photographische Platte angewiesenen und daher auf die Messung von zeitlichen Mittelwerten der Intensität beschränkten, Beobachtung notwendig verborgen bleiben mußten.
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Nachdem Photonenströme bzw. einzelne Photonen mit hoher zeitlicher Auflösung durch Photonendetektoren quantitativ erfaßt werden können, haben Theorie und Praxis der Autokorrelationsanalyse der Strahlungssignale eine wachsende Bedeutung erhalten. Einerseits prägt sich hier das Fundamentalverständnis der „Quantenoptik“ aus, andererseits bieten sich damit spezielle Möglichkeiten einer spektral sehr hoch auflösenden „Korrelationsspektroskopie“. Überdies lassen sich aus einer experimentell erhaltenen Autokorrelationsfunktion (AKF) weitergehende Rückschlüsse auf die Qualität der Strahlungsquelle und/oder die Wechselwirkung der Photonen mit der durchstrahlten Materie ziehen. Die Arbeit befaßt sich mit der Computer-gestützten Modellierung von Photonenströmen, wobei verschiedene theoretische Ansätze zur zeitlichen Abfolge der Photonen zu symptomatisch verschiedenen Zeitfunktionen führen, die entsprechend charakteristische statistische Schwankungen enthalten. Die anhand solcher „Modell-Photoströme“ ermittelten spezifischen Typen der AKF erlauben durch Vergleich mit experimentellen Resultaten deren weitergehende qualitative und u. U. auch quantitative Interpretation. – Innerhalb dieser Thematik ist auch das „Inversenproblem“ anzusprechen, d.h. die Frage nach der Möglichkeit eines eindeutigen Rückschlusses von der AKF auf eine bestimmte Zeitfunktion bzw. Statistik des vorliegenden Photonenstromes zu erörtern. Dabei ist u. a. auch zu berücksichtigen, daß die die Autokorrelation bestimmende Zeitfunktion der Photonenabfolge und die statistische Häufigkeitsverteilung der innerhalb der Samplingzeit des Detektors erfaßten Photonenanzahl unabhängig voneinander variieren können. Nach referierenden Ausführungen zu Grundlage und Computer-gestützter Realisierung der Autokorrelationsanalyse (AKA) von Photonenströmen, sowie zur Photonenstatistik bzw. zum Photonenrauschen beim Emissionsprozess unterschiedlicher Lichtquellen bzw. nach dem Durchgang von Licht durch Materie, werden sodann im Sinne der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit eine Reihe charakteristischer Photonenströme berechnet und der AKA unterworfen. Die Modelle erfassen dabei die zeitlich-statistische Abfolge bzw. die Häufigkeitsverteilung der Einzelphotonen, das sukzessive Auftreten von Photonen-“Pulks“ bestimmter „Form“ und die Existenz eines Photonen-“Gleichstroms“ mit überlagerten statistischen Schwankungen. Bei den erhaltenen Typen der AKF finden sich exponentiell oder Gauß-förmig relaxierende, oszillatorische und gedämpft oszillierende Anteile in spezifischer Überlagerung, deren Auftreten im Einzelfall begründend diskutiert wird.
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Zu Beginn sei an die drei Strahlungsprozesse erinnert, die wir bereits früher kennen gelernt haben. Es sind dies die Absorption von Strahlung, die induzierte (oder stimulierte) und die spontane Emission (Abb. 15.1). Induzierte übergänge werden also durch Photonen des Strahlungsfeldes induziert. Daher rührt der Name. Das induzierte Lichtquant und das den übergang induzierende Photon sind miteinander in Phase. Jedes dieser Photonen kann in anderen Atomen einen weiteren übergang induzieren, so dass aus dem ursprünglichen Quant vier Photonen werden, dann acht usw. Auf diesem Prozess beruht der Laser.